Krona eller klave? Om vi ​​kastar två mynt i luften, resultatet av ett myntkast har ingenting att göra med resultatet av det andra. Mynt är oberoende objekt. I kvantfysikens värld, saker är annorlunda:kvantpartiklar kan trasslas in, i vilket fall de inte längre kan betraktas som självständiga enskilda objekt, de kan bara beskrivas som ett gemensamt system.

I åratal, det har varit möjligt att producera intrasslade fotoner — par av ljuspartiklar som rör sig i helt olika riktningar men som ändå hör ihop. Spektakulära resultat har uppnåtts, till exempel inom området kvantteleportation eller kvantkryptografi. Nu, en ny metod har utvecklats vid TU Wien (Wien) för att producera intrasslade atompar – och inte bara atomer som emitteras i alla riktningar, men väldefinierade strålar. Detta uppnåddes med hjälp av ultrakylda atommoln i elektromagnetiska fällor.

Intrasslade partiklar

"Kvantförveckling är en av de väsentliga delarna av kvantfysiken, " säger prof. Jörg Schmiedmayer från Institutet för atom- och subatomär fysik vid TU Wien. "Om partiklar är intrasslade med varandra, sedan även om du vet allt som finns att veta om det totala systemet, du kan fortfarande inte säga något alls om en specifik partikel. Att fråga om tillståndet för en viss partikel är meningslöst, endast det övergripande tillståndet för det totala systemet definieras."

Det finns olika metoder för att skapa kvantintrassling. Till exempel, speciella kristaller kan användas för att skapa par av intrasslade fotoner:en foton med hög energi omvandlas av kristallen till två fotoner med lägre energi - detta kallas "nedkonvertering". Detta gör att ett stort antal intrasslade fotonpar kan produceras snabbt och enkelt.

intrasslande atomer, dock, är mycket svårare. Enskilda atomer kan intrasslas med komplicerade laseroperationer - men då får du bara ett enda par atomer. Slumpmässiga processer kan också användas för att skapa kvantintrassling:om två partiklar interagerar med varandra på ett lämpligt sätt, de kan visa sig vara intrasslade efteråt. Molekyler kan brytas upp, skapa intrasslade fragment. Men dessa metoder kan inte kontrolleras. "I detta fall, partiklarna rör sig i slumpmässiga riktningar. Men när du gör experiment, du vill kunna bestämma exakt var atomerna rör sig, säger Jörg Schmiedmayer.

Tvillingparet

Kontrollerade tvillingpar kunde nu produceras vid TU Wien med ett nytt trick:ett moln av ultrakalla atomer skapas och hålls på plats av elektromagnetiska krafter på ett litet chip. "Vi manipulerar dessa atomer så att de inte hamnar i tillståndet med lägsta möjliga energi, men i ett tillstånd av högre energi, " säger Schmiedmayer. Från detta upphetsade tillstånd, atomerna återgår då spontant till grundtillståndet med lägst energi.

Dock, den elektromagnetiska fällan är konstruerad på ett sådant sätt att denna återgång till grundtillståndet är fysiskt omöjlig för en enda atom - detta skulle bryta mot bevarandet av momentum. Atomerna kan därför bara överföras till grundtillståndet som par och flyga iväg i motsatta riktningar, så att deras totala momentum förblir noll. Detta skapar tvillingatomer som rör sig exakt i den riktning som specificeras av geometrin hos den elektromagnetiska fällan på chipet.

Dubbelslitsexperimentet

Fällan består av två långsträckta, parallella vågledare. Paret av tvillingatomer kan ha skapats i vänster eller höger vågledare - eller, som kvantfysiken tillåter, i båda samtidigt. "Det är som det välkända dubbelspaltsexperimentet, där du skjuter en partikel mot en vägg med två slitsar, " säger Jörg Schmiedmayer. "Partikeln kan passera genom både vänster och höger slits samtidigt, bakom vilken den stör sig själv, och detta skapar vågmönster som kan mätas. "

Samma princip kan användas för att bevisa att tvillingatomerna verkligen är intrasslade partiklar:bara om du mäter hela systemet – dvs. båda atomerna samtidigt – kan du upptäcka de vågliknande superpositionerna som är typiska för kvantfenomen. Om, å andra sidan, du begränsar dig till en enda partikel, vågöverlagringen försvinner helt.

"Detta visar oss att det i det här fallet inte är meningsfullt att titta på partiklarna individuellt, " förklarar Jörg Schmiedmayer. "I dubbelslitsexperimentet, superpositionerna försvinner så fort man mäter om partikeln går genom vänster eller höger slits. Så snart denna information är tillgänglig, kvantöverlagringen förstörs. Det är väldigt likt här:om atomerna är intrasslade och du bara mäter en av dem, teoretiskt sett kan du fortfarande använda den andra atomen för att mäta om de båda har sitt ursprung i den vänstra eller högra delen av fällan. Därför, kvantöverlagringarna förstörs."

Nu när det har bevisats att ultrakalla atommoln verkligen kan användas för att tillförlitligt producera intrasslade tvillingatomer på detta sätt, ytterligare kvantexperiment ska utföras med dessa atompar - liknande de som redan har varit möjliga med fotonpar.